河南科技大学遗传学课件第五章-DNA的损伤、修复和基因突变

第5章DNA的损伤、修复和基因突变〔Chapter5DNADamage、RepairandGeneMutation〕河南科技大学农学院施江MolecularBiologyCourse第5章DNA的损伤、修复和基因突变5.1DNA的损伤5.2DNA的修复5.3基因突变MolecularBiologyCourse第一节DNA的损伤一、DNA损伤的概念二、DNA分子的自发性损伤三、物理因素引起的DNA损伤四、化学因素引起的DNA损伤WelcometoMolecularBiology一、DNA损伤的概念DNA损伤(DNAdamage)：是指在生物体生命过程中DNA双螺旋结构发生的任何改变。●单个碱基的改变通过复制过程改变子代的遗传信息。●双螺旋结构的异常扭曲对DNA复制或转录可产生生理性伤害。引起DNA损伤的因素：●自发性损伤●物理因素引起的损伤●化学因素引起的损伤二、DNA分子的自发性损伤包括：●互变异构移位●脱氨基作用●DNA复制中的错误◆碱基错配◆DNA聚合酶的“打滑〞●活性氧引起的诱变●碱基丧失1.互变异构移位(tautomericshift)DNA碱基上的酮基或氨基都位于杂环上N原子邻位，能形成氨基-亚氨基互变异构或酮式-烯醇式互变异构。

氨基-亚氨基互变异构酮式-烯醇式互变异构碱基发生氨基-亚氨基互变异构时，发生A-C、G-T错配。碱基发生酮式与烯醇式结构互变，发生A-C、T-G错配。2.脱氨基(deamination)作用胞嘧啶自发脱氨基的频率为每个细胞每天200个左右。自发脱氨基作用引起的碱基转换

3.DNA复制中的错误◆碱基错配◆DNA聚合酶的“打滑〞4.活性氧引起的诱变

细胞代谢副产物O2-、H2O2等会造成碱基损伤，引起碱基配对错误。活性氧造成的碱基损伤

5.碱基丧失●自发的脱嘌呤〔depurination〕和脱嘧啶：DNA分子在生理条件下可通过自发性水解，使嘌呤碱和嘧啶碱从磷酸脱氧核糖骨架上脱落下来。●碱基脱落形成AP位点〔Apurinicor

Apyrimidinicsite〕。●热和酸等都可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落，形成AP位点。●在一个长寿命的哺乳动物细胞〔如人神经细胞〕的整个生活周期中自发性脱落嘌呤数约为108个嘌呤碱，占细胞DNA中总嘌呤数的30%。●每个细胞每小时脱去的嘌呤碱和嘧啶碱数分别平均为580个和29个。三、物理因素引起的DNA损伤1、紫外线引起的DNA损伤

●DNA分子损伤最早就是从研究紫外线(ultraviolet，UV)的效应开始的。●最容易形成的是TT二聚体。●人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时5×104个/细胞，但只局限在皮肤中，因为紫外线不能穿透皮肤。●但微生物受紫外线照射后，就会影响其生存。

UV2、电离辐射引起的DNA损伤●直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤，●间接效应是指DNA周围其他分子〔主要是水分子〕吸收射线能量产生具有很高反响活性的自由基进而损伤DNA。电离辐射可导致DNA分子的多种变化：①碱基变化〔碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等〕②脱氧核糖变化〔脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂〕③DNA链断裂●单链断裂〔singlestrandbroken〕●双链断裂〔doublestrandbroken〕虽然单断发生频率为双断的10-20倍，但还比较容易修复；对单倍体细胞〔如细菌〕一次双断就是致死事件。④交联●DNA链间交联●DNA蛋白质交联四、化学因素引起的DNA损伤●烷化剂对DNA的损伤●碱基类似物对DNA的损伤●碱基的修饰剂对DNA的损伤●嵌入染料对DNA的损伤1.烷化剂对DNA的损伤●烷化剂是一类亲电子的化合物，很容易与生物体中大分子的亲核位点起反响。GCO-6-E-GTAT烷化剂TAO-4-E-TGCG烷化剂烷基化试剂：●硫芥●氮芥●乙基甲烷磺酸〔ethylmathanesulfonate，EMS〕●乙基乙烷磺酸〔EES〕●亚硝基胍〔NTG〕●N-甲基-N′-硝基-N-亚硝基胍〔N-mathyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidion，NNG〕烷化剂有两类：●单功能烷化剂●双功能烷化剂——化学武器如氮芥、硫芥等链内交联链间交联

烷化剂造成的DNA损伤：①碱基烷基化②碱基脱落③断链④交联双功能基烷化剂●DNA链内交联●DNA链间交联●DNA与蛋白质交联

氮芥引起DNA分子两条链在鸟嘌呤上的交联

(a)交联附近的总图；(b)交联局部结构图2.碱基类似物对DNA的损伤干扰DNA复制合成。ATABU酮BU烯醇GGCAT2-AP氨基TC2-AP亚氨基GC3.碱基的修饰剂对DNA的损伤某些化学诱变剂通过对DNA分子上碱基的修饰，改变其配对性质。脱氨基试剂：亚硝酸〔nitrousacid，HNO2，NA〕羟基化试剂：羟胺〔hydroxylamine，NH2OH，HA〕ATICGCHNO2GCAUATHNO2CG4-OH-CATANH2OH4.嵌入染料（intercalateddye）对DNA的损伤吖啶橙(AcridineOrange，AO)溴化乙锭(EthidiumBromide，EB)扁平染料分子结果产生－－移码突变第二节DNA的修复一、DNA修复的概念二、直接修复〔损伤逆转〕三、切除修复四、错配修复五、重组修复六、易错修复和SOS反响WelcometoMolecularBiology一、DNA修复的概念修复(DNARepair)是指在DNA损伤时，在多种酶的作用下，细胞对损伤的反响。●切除修复〔excisionrepairing，ER〕●错配修复(mismatchrepair，MMR)●直接修复〔directrepair〕●重组修复(recombinationrepair)●易错修复〔SOS修复〕二、直接修复〔损伤逆转〕直接修复〔directrepair〕是把被损伤的碱基回复到原来状态的一种修复。有以下三种方式：●光修复〔lightrepair〕●烷基转移酶直接修复●单链断裂修复〔1〕光修复〔lightrepair〕(2)烷基转移酶〔Alkyltransferases〕直接修复(3)单链断裂修复三、切除修复〔excisionrepairing〕在DNA复制之前，在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的局部切除后，以另一条完整的链为模板，合成出切除局部，从而恢复DNA正常结构的过程。包括：●碱基的切除修复〔BER〕●核苷酸的切除修复〔NER〕1.碱基切除修复(Baseexcisionrepair、BER)

主要修复单个碱基缺陷的损伤。●短-补丁修复〔short-patchrepair〕●长-补丁修复〔long-patchrepair〕碱基切除修复〔BER〕途径中的重要糖苷酶：●尿嘧啶-N-糖苷酶，从DNA中除去尿嘧啶碱基；●次黄嘌呤-N-糖苷酶，从DNA中除去腺嘌呤脱氨后形成的次黄嘌呤；●3—甲基腺嘌呤DNA糖苷酶，可修复烷化剂产生的损伤。2.核苷酸片段切除修复(Nucleotideexcisionrepair，NER)DNA螺旋结构有较大损伤变形时，那么以核苷酸切除修复方式进行修复。原核生物DNA损伤切除修复过程：原核细胞NER系统蛋白质和酶的功能

连接切口DNA连接酶填补缺口DNApolI/II解链酶UvrD在损伤部位的5'-端切开DNA链UvrC识别损伤并在3'-端切开DNA链UvrB识别损伤并充当分子接头UvrA功能蛋白质●着色性干皮病〔Xerodermapigmentosum，XP〕是一种切除修复酶的缺陷。●患者对日光或紫外线特别敏感，对紫外线引起的DNA损伤不能修复，容易诱发皮肤癌。●至少有7种不同基因的缺陷可导致XP。四、错配修复(Mismatchrepair，MMR)

负责修复DNA复制过程中由于错误掺入而产生的错配。(1)

识别错配的碱基对。(2)

对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是错的，哪一个是对的。

(3)

切除错误的碱基，并进行修复合成。错配修复过程：

昂贵的代价用于保证DNA的准确性。五、重组修复(recombinationrepair)重组修复过程：●重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA片段仍然保存在亲代DNA链上，只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的。●但经屡次复制后，损伤就被“稀释〞了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。●重组修复机制的缺陷,有可能导致肿瘤〔乳腺癌〕发生。六、易错修复和SOS反响SOS反响(SOSresponse)是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急反响。SOS反响诱导的修复系统包括：●防止过失的修复〔errorfreerepair〕：错配修复、直接修复、切除修复和重组修复。●易产生过失的修复〔errorpronerepair〕：易错修复〔SOS修复〕。DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ。SOS反响：0期：还没有出现SOS应答，MMR〔错配修复〕。1期：NER〔核苷酸片段切除修复〕。2期：重组修复，主要是针对DNA双链断裂的修复。3期：SOS修复〔易错修复〕。4期：凋亡。RecA与LexA组成调控环路RecA在SOS反响中起核心作用未诱导的细胞诱导的细胞SOSrepair是一种错误倾向性极强的修复机制是进化中形成的“竭尽全力，治病救人”的措施（正常状态下，SOS是关闭的）当DNA复制度过难关后RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff1、DNA的修复；2、导致变异。许多细胞的死亡只是为一些细胞的存活所付的代价。第三节基因突变一、基因突变的概念二、基因突变的类型三、基因突变的主要后果WelcometoMolecularBiology一、基因突变的概念突变(Mutation)：是指遗传物质发生可遗传的变异。基因突变(Genemutation)：基因的核苷酸顺序或数目发生改变。：染色体数目和结构的改变。●自发突变〔spontaneousmutation〕●诱发突变〔inducedmutation，诱变〕：碱基类似物、碱基的修饰剂、烷化剂、嵌入染料●体细胞突变〔somaticmutation〕●生殖细胞突变〔种系突变，germ-linemutation〕●诱变剂和致癌剂的检测〔1〕Ames试验使鼠伤寒沙门氏杆菌的营养缺陷型细菌与待测物一起培养，因回复突变而产生菌落，根据菌落的多少可判断诱变力的强弱。〔2〕Devoret试验利用溶源菌被诱导产生噬菌斑的方法来检测致癌剂，简化了检测手段。二、基因突变的类型●点突变(pointmutation)●缺失(deletion)●插入(insertion)●重排(rearrangement)〔一〕点突变〔碱基替换〕●点突变(pointmutation)是指DNA分子上发生了单个碱基的改变。●特点：具有很高的回复率。1.转换〔transition〕：发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。Purine→Pu或者Pyrimidine→Py2.颠换〔transversion〕：发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。Pu→Py或者Py→Pu点突变从对遗传信息的改变上定义分类：●同义突变（consensemutation，无声突变、中性突变，沉默突变）：没有改变产物氨基酸序列的密码子。

●错义突变(missensemutation)

：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变。●渗漏突变(leakymutation)：是突变基因的产物尚有